代立春，潘 綱＊＊，李 梁，李 宏，畢 磊，尚媛媛，王麗靜，王 丹，張洪剛，李巧霞，古小治，鐘繼承

(1:中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085)

(2:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008)

近年來(lái)，無(wú)錫太湖部分區(qū)域常出現(xiàn)水體渾濁、顏色為深黑色、時(shí)而有氣泡并伴有惡臭氣味的現(xiàn)象，即“湖泛”.湖泛指富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水體在藻類大量暴發(fā)、積聚和死亡后，在適宜的氣象和水文條件下，與底泥中的有機(jī)物在厭氧條件下發(fā)生生化反應(yīng)，大量釋放硫化物、二甲基三硫等嗅味物質(zhì)，形成黑褐色并伴有惡臭的黑水團(tuán)，迅速降低水體DO，大量釋放營(yíng)養(yǎng)鹽，惡化水質(zhì)和感官，使得水體生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞的現(xiàn)象[1-3].

湖泛是太湖嚴(yán)重的環(huán)境危害之一.從1990s 開(kāi)始，西太湖、梅梁灣和貢湖灣就開(kāi)始出現(xiàn)湖泛現(xiàn)象.在2007年的藍(lán)藻水華事件后，湖泛相繼出現(xiàn)，產(chǎn)生了大量的嗅味物質(zhì)，惡化水體感官質(zhì)量，給太湖周邊地區(qū)的飲用水供給帶來(lái)了嚴(yán)重的危害[4-5].在2008年5月26日至6月9日期間，在宜興市附近形成了17 km2的黑水團(tuán)區(qū)域，嚴(yán)重破壞了太湖水體生態(tài)系統(tǒng)[2].盡管湖泛的成因及其環(huán)境危害已經(jīng)有了較多的研究[2，6-9]，但是對(duì)湖泛的原位治理方法還缺乏相應(yīng)的研究，特別是在湖泛的嗅味物質(zhì)的原位去除方面還未見(jiàn)報(bào)道，因此探索湖泛的原位治理技術(shù)對(duì)湖泛的治理顯得尤為重要.潘綱等前期報(bào)道的改性當(dāng)?shù)赝寥兰夹g(shù)修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的綜合效果研究系列文章(Ⅰ和Ⅱ)表明，改性當(dāng)?shù)赝寥兰夹g(shù)不僅能夠快速去除藍(lán)藻水華以及水體其他顆粒物和營(yíng)養(yǎng)鹽，而且可較長(zhǎng)期地防控底泥再懸浮和減少底泥二次污染[10-14].目前尚未見(jiàn)報(bào)道用該技術(shù)原位快速去除黑水團(tuán)顆粒物并通過(guò)沙土負(fù)載臭氧的方法分解嗅味物質(zhì)和改善厭氧環(huán)境的研究.

本研究將室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)圍隔試驗(yàn)相結(jié)合，擬通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)比較改性當(dāng)?shù)赝寥缹?duì)湖泛水體黑色固體物質(zhì)的去除效果，以及考察沙子和土壤覆蓋技術(shù)在抑制湖泛絮體再懸浮方面的作用;并在位于太湖喇叭口的圍隔內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以探討改性當(dāng)?shù)赝寥?沙子湖泊綜合修復(fù)技術(shù)去除湖泛黑色物質(zhì)、水體嗅味物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽的實(shí)地效果，以及對(duì)水體DO 的改善效果，為湖泛的原位治理提供技術(shù)參考和科學(xué)建議.

1 材料與方法

1.1 湖泛黑物質(zhì)室內(nèi)絮凝和再懸浮實(shí)驗(yàn)

殼聚糖購(gòu)自青島云宙生物技術(shù)有限公司;聚合氯化鋁(PAC)購(gòu)自北京市惟事美環(huán)保科技有限公司.土壤取自太湖梅梁灣岸邊，首先采用蒸餾水清洗土壤，在90℃下干燥10 h，然后過(guò)180 目篩用于絮凝，過(guò)20 ～40 目篩用于覆蓋.沙子購(gòu)自無(wú)錫當(dāng)?shù)氐牟缮硤?chǎng)，經(jīng)蒸餾水清洗和烘干后，過(guò)40 目篩備用.殼聚糖采用0.5%醋酸溶解，用于改性土壤.模擬湖泛黑水團(tuán)水采自太湖梅梁灣喇叭口蘆葦蕩湖泛區(qū)，用5 L 采水器在湖泛區(qū)表層(0.5 m)和底層(距離湖底0.5 m)各取5 L 黑水團(tuán)水，置于10 L 水樣桶中，混合均勻，4℃條件下存放24 h 之內(nèi)使用.

1)模擬湖泛水體黑物質(zhì)絮凝去除:實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前將上述水樣恢復(fù)至室溫，然后在5 個(gè)500 ml 的燒杯中分別加入400 ml 混勻的黑水團(tuán)水.其中1 個(gè)燒杯作為對(duì)照，不做任何處理;另外4 個(gè)燒杯分別采用50 mg/L PAC、100 mg/L PAC、150 mg/L PAC 和 55 mg/L MLS(2 mg/L 殼聚糖、55mg/L 改性土壤)絮凝.10 min 后測(cè)定不同處理的濁度以評(píng)價(jià)對(duì)黑水團(tuán)的去除效果.濁度采用WGZ-1 型濁度計(jì)測(cè)定.

2)再懸浮實(shí)驗(yàn):在3 個(gè)500 ml 燒杯中分別加入400 ml 混勻的黑水團(tuán)水.其中1 個(gè)燒杯僅使用50 mg/L 改性當(dāng)?shù)赝寥佬跄コ谖镔|(zhì)，另外兩個(gè)燒杯在添加50 mg/L 改性土壤絮凝10 min 后，分別添加20 g 土壤或沙子進(jìn)行覆蓋.覆蓋完成30 min 后，采用六聯(lián)攪拌器分別在40、60、80 和100 轉(zhuǎn)/min 條件下進(jìn)行再懸浮實(shí)驗(yàn).

1.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

土壤取自無(wú)錫梅梁灣岸邊，風(fēng)干后過(guò)40 目篩備用.臭氧負(fù)載土壤的準(zhǔn)備參考潘綱等的專利[15].現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的3 個(gè)2 m×3 m 的圍隔位于無(wú)錫太湖梅梁灣的喇叭口，實(shí)測(cè)水深近1 m.實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，采集湖泛區(qū)表層10 cm底泥(主要為腐爛藍(lán)藻碎屑、有機(jī)殘?bào)w等)50 L 加入到實(shí)驗(yàn)圍隔水體中，以模擬湖泛發(fā)生時(shí)的黑物質(zhì)及黑臭水體，然后采用改性土壤方法對(duì)其進(jìn)行處理.其中1 個(gè)為對(duì)照圍隔，不添加任何處理，剩下兩個(gè)圍隔分別為1#和2#圍隔，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)采用改性土壤絮凝后[13-14，16]，對(duì)1#和2#圍隔分別加以30 kg(5 kg/m2)和90 kg(15 kg/m2)的臭氧負(fù)載土壤進(jìn)行覆蓋.通過(guò)處理前后水體中營(yíng)養(yǎng)鹽(TN 和TP)、二甲基異茨醇(MIB)、二甲基三硫醚(DMTS)以及水體DO 含量的變化來(lái)評(píng)價(jià)湖泛的治理效果.TN 和TP 的測(cè)定方法參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》[17]，嗅味物質(zhì)用SPME-GC/MS 測(cè)定，DO 用YSI 多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 湖泛黑物質(zhì)的絮凝去除

隨著PAC 用量的增加，濁度逐漸降低.經(jīng)150 mg/L 的PAC 處理后的黑水團(tuán)水濁度下降至23 NTU，而經(jīng)55 mg/L 的改性當(dāng)?shù)赝寥捞幚淼臐岫认陆抵? NTU(圖1)，可見(jiàn)殼聚糖改性土壤與PAC 相比，不僅用量少，而且對(duì)懸浮的黑物質(zhì)的沉降效率更高，主要原因在于殼聚糖改性土壤能夠通過(guò)殼聚糖的網(wǎng)捕架橋作用大大提高土壤對(duì)水體中顆粒物的絮凝沉降能力[13]，使得湖泛水體中的黑物質(zhì)得到迅速去除，從而凈化湖泛水體.沙子覆蓋和臭氧負(fù)載土壤覆蓋對(duì)絮凝后的黑物質(zhì)再懸浮的抑制作用表明，在40 轉(zhuǎn)/min 的擾動(dòng)條件下，絮凝后的黑物質(zhì)能夠再懸浮，而覆蓋的處理沒(méi)有發(fā)生再懸浮(圖2);在60 轉(zhuǎn)/min 的擾動(dòng)條件下臭氧負(fù)載土壤開(kāi)始再懸浮，而沙子覆蓋即使在100 轉(zhuǎn)/min 的擾動(dòng)下依然沒(méi)有發(fā)生再懸浮(圖2)，這是因?yàn)樯匙泳哂懈蟮拿芏群土?，故用一定粒度的沙子覆蓋能夠抵抗更大的干擾強(qiáng)度.這些結(jié)果表明通過(guò)對(duì)絮凝后的黑物質(zhì)絮體進(jìn)行覆蓋，能夠有效地抑制絮凝后湖泛黑物質(zhì)的再懸浮.

圖1 PAC 和改性土壤對(duì)黑水團(tuán)水體濁度的去除Fig.1 The efficiency of PAC and MLS in reducing the turbidity of black spots water

圖2 沙子和土壤覆蓋對(duì)再懸浮的抑制作用Fig.2 The anti-resuspension capacity for soil capping and sand capping

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

2.2.1 營(yíng)養(yǎng)鹽去除作用 處理前對(duì)照圍隔、1#和2#圍隔內(nèi)的TN 濃度分別為48.03、12.31 和52.21 mg/L，TP濃度分別為4.88、1.06 和4.55 mg/L.改性土壤絮凝30 min 后，1#圍隔內(nèi)TN 降低了85.5%，為1.80 mg/L，2#圍隔內(nèi)TN 降低了94.0%，為3.05 mg/L(圖3a);1#圍隔內(nèi)TP 降低了57.0%，為0.46 mg/L，2#圍隔內(nèi) TP 降低了95.0%，為0.13 mg/L(圖3b)，結(jié)果表明改性土壤通過(guò)絮凝去除湖泛水體黑物質(zhì)可以降低水體TN 和TP 含量.臭氧負(fù)載土壤覆蓋30 min 后，TN 與處理前相比，1#圍隔內(nèi)降低了86.0%，為1.76 mg/L，2#圍隔內(nèi)降低了97.0%，為1.47 mg/L(圖3a);TP 與處理前相比，1#圍隔內(nèi)降低了58.0%，為0.44 mg/L，2#圍隔內(nèi)降低了97.0%，為0.13 mg/L(圖3b)，由此可見(jiàn)，TN 和TP 主要是通過(guò)絮凝得以去除.在改性土壤的絮凝過(guò)程中，顆粒態(tài)和溶解性營(yíng)養(yǎng)鹽可以通過(guò)絮凝和吸附作用轉(zhuǎn)移到沉積物，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體水質(zhì)的應(yīng)急改善效果[12，14].這對(duì)緩解湖泛期間營(yíng)養(yǎng)鹽的急劇升高具有重要意義.

圖3 TN(a)和TP(b)的去除效果Fig.3 The removal effect on TN(a)and TP(b)

2.2.2 水體DO 改善作用 改性土壤絮凝處理30 min 后，1#圍隔的表層水體 DO 從5.13 mg/L 提升至7.10 mg/L(圖4a)，底層水體 DO 從 2.85 mg/L 提升至 3.27 mg/L(圖4b);2#圍隔的表層水體 DO 從6.92 mg/L提升至7.12 mg/L，底層水體DO 從3.06 mg/L 提升至3.58 mg/L(圖4).臭氧負(fù)載土壤覆蓋處理30 min 后，1#圍隔內(nèi)表層水體DO 增加了75.0%，為8.98 mg/L，底層水體DO 增加了183.5%，為8.08 mg/L，2#圍隔內(nèi)表層水體DO 增加了33.8%，為9.26 mg/L，底層水體DO 增加了175.8%，為8.44 mg/L(圖4)，這說(shuō)明臭氧負(fù)載土壤覆蓋處理能夠在短時(shí)間內(nèi)大幅度提高水體DO，特別是底層水體DO 也有較大幅度的提升.處理1 d 后，1#圍隔和2#圍隔的表層水體DO 分別增加至10.40 和10.79 mg/L，底層水體DO 有所下降，但是仍然是處理前水平的2 倍(圖4).處理2 d 后，圍隔內(nèi)表層和底層水體DO 低于處理前的水平，但是仍然明顯高于對(duì)照水體DO(圖4).在監(jiān)測(cè)期間，2#圍隔內(nèi)水體表層和底層的DO 一直高于1#圍隔，說(shuō)明增加臭氧負(fù)載土壤的投加量能夠向水體提供更多的溶解氧.這些結(jié)果說(shuō)明通過(guò)改性土壤技術(shù)使湖泛的厭氧水體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚跛w，從而抑制厭氧發(fā)酵，控制嗅味物質(zhì)和黑物質(zhì)的生成和營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放.

圖4 表層水體(a)和底層水體(b)DO 的變化Fig.4 Variations of DO concentrations of surface water(a)and bottom water(b)

2.2.3 嗅味物質(zhì)的去除效果 處理前對(duì)照圍隔、1#和2#圍隔的MIB 含量分別為634.2、734.8 和452.8 ng/L;DMTS 含量分別為706.3、2476.7 和1138.0 ng/L.改性土壤絮凝處理30 min 后，1#圍隔內(nèi)的 MIB 降低至154.0 ng/L，2#圍隔內(nèi)的 MIB 降低至243.0 ng/L(圖5a);1#圍隔內(nèi)的 DMTS 降低至1016.0 ng/L，2#圍隔內(nèi)的DMTS 降低至704.0 ng/L(圖5b)，表明改性土壤絮凝去除黑物質(zhì)的同時(shí)也能通過(guò)絮凝和吸附作用去除水體嗅味物質(zhì).在臭氧負(fù)載土壤覆蓋處理30 min 后，1#圍隔內(nèi)的MIB 含量為175.0 ng/L，2#圍隔內(nèi)的MIB 含量降至191.0 ng/L，去除率分別為 76.2% 和 57.6%;1#和2#圍隔內(nèi)的 DMTS 分別進(jìn)一步降低至593.5 和191.0 ng/L，去除率分別為76.0%和83.0%，結(jié)果表明采用臭氧負(fù)載土壤覆蓋進(jìn)一步加大了對(duì)DMTS 去除效果.處理2 d 后，對(duì)照圍隔內(nèi)的DMTS 含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另外兩個(gè)處理圍隔，表明改性當(dāng)?shù)赝寥兰夹g(shù)對(duì)DMTS的控制效果較好，這是因?yàn)镈MTS 主要是厭氧微生物代謝過(guò)程產(chǎn)生[4]，在改性土壤絮凝和臭氧負(fù)載粘土覆蓋后水體DO 水平得到改善，不利于厭氧微生物的活動(dòng)，所以DMTS 在處理后能得到較好的控制.而對(duì)照圍隔和處理圍隔的MIB 濃度均大幅提升，這是因?yàn)镸IB 主要是由藻類代謝過(guò)程產(chǎn)生[18]，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中由于風(fēng)浪及圍隔本身存在滲漏，導(dǎo)致圍隔外部分藻類進(jìn)入圍隔內(nèi)，且隨時(shí)間推移進(jìn)行累積，所以MIB 濃度均有所提升.

圖5 MIB(a)和DMTS(b)的去除效果Fig.5 The removal effect on MIB(a)and DMTS(b)

DMTS 和MIB 是湖泛中常見(jiàn)的嗅味物質(zhì)，在2007年無(wú)錫水質(zhì)危機(jī)事件中是主要致嗅物質(zhì)[4].目前水體中嗅味物質(zhì)的直接清除一般都是在水廠內(nèi)進(jìn)行的，主要是通過(guò)單獨(dú)使用或者聯(lián)合吸附劑和氧化劑來(lái)分解和吸附嗅味物質(zhì)，如使用活性炭、PAC、KMnO4和臭氧等[5，19]，取得了較好的效果.改性土壤原位應(yīng)急清除湖泛后更有利于水廠對(duì)原水的處理，對(duì)緩解供水危機(jī)具有重要作用.

3 結(jié)論

為了改善湖泛水體感官和水質(zhì)，本研究在室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)分別開(kāi)展了改性土壤湖泊綜合修復(fù)技術(shù)對(duì)湖泛的治理效果研究，主要結(jié)論有:(1)殼聚糖改性土壤能夠高效清除湖泛水體黑物質(zhì)，55 mg/L 的改性土壤能夠?qū)⒑汉谒畧F(tuán)水的濁度由＞2000 NTU 降低至5 NTU，另外通過(guò)沙子和土壤覆蓋能夠減少絮凝后的黑物質(zhì)的再懸浮;(2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改性當(dāng)?shù)赝寥佬跄统粞踟?fù)載土壤覆蓋能夠快速有效地去除水體TN、TP、嗅味物質(zhì)(MIB 和DMTS)，同時(shí)提高了水體DO，達(dá)到了良好的應(yīng)急治理效果，為湖泛的原位治理提供了新的思路和技術(shù)參考.

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